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《哈尔滨工业大学》 2010年
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非线性滤波方法在无人机相对导航上的应用研究

王小刚  
【摘要】: “协同编队飞行”是一种全新的无人机应用模式,具有广阔的前景和巨大的技术优势,代表了无人机技术的未来发展方向,因而备受关注。本文以无人机协同编队飞行为背景,对编队无人机之间的相对导航问题展开研究,通过对多种相对导航方案的对比,最终确定了惯导系统和VisNav视觉导航系统所组成的INS/VisNav相对导航系统方案,并设计了多种相对导航滤波器,主要的内容包括: 针对“长机——僚机”编队模式,推导了无人机之间的相对运动模型,给出了陀螺、加速度计和VisNav视觉导航系统的测量模型,对VisNav视觉导航系统在单矢量、双矢量、三矢量以及多矢量观测情况下可观测性进行了分析,为确定VisNav视觉导航系统的工作条件提供了理论依据。采用最小二乘法处理VisNav视觉导航系统的输出数据,估计出编队无人机之间的相对姿态和相对位置。数学仿真分析显示,最小二乘法的估计精度受无人机之间的相对位置关系所影响。 设计了基于扩展卡尔曼滤波算法的INS/VisNav相对导航滤波器。用长机和僚机的惯性导航系统测量数据代替相对运动方程中的角速度和加速度项,获得长机和僚机之间的相对惯导方程,以相对惯导方程为基础,推导了扩展卡尔曼滤波中的雅可比矩阵和测量敏感矩阵。考虑到长机与僚机处于编队飞行模式中,忽略重力项影响,从而简化了扩展卡尔曼滤波算法,提高了运算速度。 为了改善收敛性能,并提高估计精度,设计了基于Sigma-Point卡尔曼滤波算法的INS/VisNav相对导航滤波器。介绍了Unscented卡尔曼滤波算法和中心差分卡尔曼滤波算法,通过对比分析上述两种算法发现,二者的共同点是利用Sigma-Point近似非线性函数。在设计Sigma-Point卡尔曼滤波器时,考虑到姿态四元数的归一化限制,采用罗德里格斯参数代表姿态误差状态,保证了误差协方差矩阵的非奇异性,仿真结果显示,算法具有明显的快速收敛性能。 考虑到当系统噪声不符合高斯分布时,卡尔曼滤波难以取得高精度估计,甚至发散,设计了基于Huber-Based滤波的INS/VisNav相对导航滤波器,Huber-Based滤波器是一种鲁棒滤波器,建立在l1、l2混合范数最小的基础上,当系统噪声为受污染的高斯分布时,该滤波方法具有一定的鲁棒性。将Huber-Based滤波与Sigma-Point滤波相结合,提出了一种鲁棒Sigma-Point滤波方法,并设计了基于鲁棒Sigma-Point滤波的相对导航滤波器,最后进行了数学仿真研究。 精度和可靠性是衡量相对导航系统性能的两个重要准则,本文提出了一种INS/VisNav/GPS多传感器信息融合相对导航系统,在分布式融合结构下,采用信息滤波算法融合INS、VisNav和GPS载波相位差分系统输出,与INS/VisNav相对导航系统相比,该系统实现了精度和可靠性的双重提高。
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:V249.3

【引证文献】
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 张鑫明;非线性滤波在通信与导航中的应用研究[D];北京邮电大学;2012年
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前4条
1 李俊锋;;“北斗”卫星导航定位系统与全球定位系统之比较分析[J];北京测绘;2007年01期
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4 谭述森;;北斗卫星导航系统的发展与思考[J];宇航学报;2008年02期
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 侯建;月球车立体视觉与视觉导航方法研究[D];哈尔滨工业大学;2007年
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 李兵;庄奕琪;龙强;靳钊;李振荣;靳刚;;Design of a 0.18μm CMOS multi-band compatible low power GNSS receiver RF frontend[J];半导体学报;2011年03期
2 尹小杰;朱斌;樊键;;无迹Kalman滤波器及其目标跟踪应用[J];兵工自动化;2006年08期
3 张李方;程锦房;何希盈;;矢量水听器与Kalman滤波在水雷引信中的应用[J];兵工自动化;2008年12期
4 钱辉;丁永忠;;大航程AUV SINS/DVL组合导航定位精度研究[J];兵工自动化;2010年02期
5 黄雪妮;赵忠;杨利兰;;游移方位激光捷联惯导系统传递对准方法[J];兵工自动化;2011年05期
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9 刘明雍;胡俊伟;李闻白;;一种基于改进无迹卡尔曼滤波的自主水下航行器组合导航方法研究[J];兵工学报;2011年02期
10 徐烨烽;仇海涛;何孟珂;孟庆季;;MEMS旋转调制式航姿参考系统设计及误差补偿[J];兵工学报;2011年06期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 李春进;李明峰;常小林;;基于卡尔曼滤波的公路施工控制点稳定性分析[A];江苏省测绘学会2011年学术年会论文集[C];2011年
2 陈莹;吴定会;;多传感车道检测及目标跟踪的新型融合方法[A];第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年
3 ;A Lunar Terrain Reconstruction Method Using Long Base-line Stereo Vision[A];第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年
4 杨晓霞;黄一;;外场标定条件下捷联惯导系统误差状态可观测性分析[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
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8 王圣洁;康凤举;韩翃;;AUV组合导航半实物仿真系统关键技术研究[A];2011'中国西部声学学术交流会论文集[C];2011年
9 郭建军;谢攀;刘娟;崔海英;;基于联邦滤波的远程AUV组合导航方法研究[A];2011'中国西部声学学术交流会论文集[C];2011年
10 彭东立;马海涛;许伟杰;;DVL在组合导航技术中的发展应用[A];中国声学学会水声学分会2011年全国水声学学术会议论文集[C];2011年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 李莎莎;反辐射导弹仿真系统技术研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
2 孟凡彬;基于随机集理论的多目标跟踪技术研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
3 刘凤鸣;重力梯度辅助导航定位技术研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
4 丁国强;惯性导航系统传递对准技术关键问题研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
5 王小旭;非线性SPKF滤波算法研究及其在组合导航中的应用[D];哈尔滨工程大学;2010年
6 张涛;GPS/SINS超紧密组合导航系统的关键技术研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
7 张勇;布里渊光纤陀螺有源腔关键技术研究[D];哈尔滨工程大学;2009年
8 丁继成;弱信号条件下GPS接收机关键技术研究[D];哈尔滨工程大学;2009年
9 朱怡;潜艇航行训练模拟器模型简化与参数优化研究[D];哈尔滨工程大学;2009年
10 杨萌;非线性滤波及在惯导系统传递对准中应用研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 郭凤华;基于卡尔曼滤波的高精度磷酸根离子分析仪的设计[D];郑州大学;2010年
2 郭静;光纤陀螺捷联系统运动基座对准方法研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
3 张斌;基于MIMU的捷联惯性导航系统数据采集与处理技术研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
4 李东起;基于VxWorks的水下目标探测跟踪研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
5 苑海静;船用MEMS航姿测量系统算法研究与实现[D];哈尔滨工程大学;2010年
6 马汉增;微惯性组合惯导系统技术研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
7 张仁丹;船舶航迹控制技术研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
8 王允峰;船舶纵横摇和升沉运动预报方法研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
9 郑秀华;基于虚拟仪器的SINS/GPS组合导航系统研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
10 高宇;捷联系统中加速度计信息处理技术研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 胡迪;董云峰;;基于自适应UKF的敏感器故障诊断算法[J];北京航空航天大学学报;2011年06期
2 池庆玺;司锡才;;基于格拉布斯准则的雷达信号分选方法的探讨[J];传感技术学报;2006年06期
3 刘山林;蔡宗平;;固定指数加权模糊自适应EKF研究及其应用[J];弹箭与制导学报;2009年02期
4 王世元;冯久超;;一种参数分多址的混沌通信方案[J];电子学报;2007年07期
5 郭文艳;韩崇昭;;基于统计线性回归的粒子滤波方法[J];电子与信息学报;2008年08期
6 柏猛;赵晓光;侯增广;;Unscented卡尔曼滤波在捷联惯导系统初始对准中的应用[J];高技术通讯;2008年11期
7 张常云;自适应滤波方法研究[J];航空学报;1998年S1期
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10 胡峰,范金城;动态测量系统的有界影响滤波[J];控制理论与应用;1993年01期
中国博士学位论文全文数据库 前4条
1 王小旭;非线性SPKF滤波算法研究及其在组合导航中的应用[D];哈尔滨工程大学;2010年
2 李东明;捷联式惯导系统初始对准方法研究[D];哈尔滨工程大学;2006年
3 向礼;非线性滤波方法及其在导航中的应用研究[D];哈尔滨工业大学;2009年
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【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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10 于洪川,吴福朝,袁波,韦穗;基于主动视觉的摄像机自标定方法[J];机器人;1999年01期
【相似文献】
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10 李栋;贾润;刘剑锋;;基于UKF的GPS/MIMU组合导航滤波算法研究[A];2008年船舶通信导航学术年会论文集[C];2008年
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1 吴蔚;美自动空中加油项目研究进入新阶段[N];中国航空报;2008年
2 于晓伟;X-47B验证自主空中加油能力[N];中国航空报;2008年
3 通讯员 宗兆盾 记者 齐芳;目击“天宫”“神八”首次牵手[N];光明日报;2011年
4 余建斌 谢波;强光将考验第二次对接[N];人民日报;2011年
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1 王小刚;非线性滤波方法在无人机相对导航上的应用研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
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3 杨萌;非线性滤波及在惯导系统传递对准中应用研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
4 朱胤;非线性滤波及其在跟踪制导中的应用[D];哈尔滨工业大学;2009年
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8 周聪;基于非线性估计理论的线控转向汽车状态估计研究[D];西南交通大学;2012年
9 顾晓东;基于偏微分方程的图像几何处理方法[D];大连理工大学;2003年
10 王健;高频地波雷达舰船目标跟踪关键技术研究[D];哈尔滨工业大学;2008年
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1 郭雪姣;非线性滤波算法研究及其在卫星高精度定轨中的应用[D];国防科学技术大学;2010年
2 赵艳;自主导航滤波算法研究[D];沈阳工业大学;2012年
3 李高飞;基于非线性统计模型分析的机动车定位算法实现研究[D];南京邮电大学;2013年
4 刘丽丽;非线性滤波的机动目标跟踪算法研究[D];陕西师范大学;2011年
5 李忠良;基于神经网络的卡尔曼滤波算法研究[D];湖南工业大学;2011年
6 李文斌;非线性系统的滤波融合算法研究[D];杭州电子科技大学;2011年
7 周琳娜;空中飞行目标轨迹预测技术研究[D];中北大学;2011年
8 葛浩宇;面向室内环境的WSN跟踪关键技术研究[D];浙江大学;2012年
9 江宝安;基于UKF滤波的单目标跟踪算法研究[D];国防科学技术大学;2003年
10 赵思正;非线性滤波soft tempest技术研究[D];解放军信息工程大学;2009年
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